鋁及鋁合金標準試棒高溫承載性能試驗系統研發

高義波，金燮飛，錢科，錢苗

（國家電力器材產品安全性能質量監督檢驗中心，浙江 杭州 310015）

鋁及鋁合金標準試棒高溫承載性能試驗系統研發

高義波，金燮飛，錢科，錢苗

（國家電力器材產品安全性能質量監督檢驗中心，浙江 杭州 310015）

本文針對電力金具鋁及鋁合金標準拉伸試棒的力學性能特點，研發了一套“20kN+300℃+1000h”鋁及鋁合金標準試棒高溫承載性能試驗系統，用于測試鋁及鋁合金類材料在“機械負載+恒定高溫+長時間”條件下的強度損失，獲得高溫承載性能；為考核電力金具高溫承載性能提供理論依據和技術支撐，為提高架空輸電線路安全可靠的運行提供了有效技術手段。

耐熱；電力金具；鋁及鋁合金；標準拉伸試棒；高溫；試驗系統

為研究輸電線路電力金具的高溫承載性能，有意識地開始研究并制定金具高溫承載性能試驗研究的構想，依據電力金具的實際工作狀態和原材料特點，自主研發了一套用于研究鋁及鋁合金標準試棒高溫承載性能的智能試驗系統，得到金具材料在不同高溫環境下的強度變化情況。

1 試驗系統的結構設計

依據GB/T 228-2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》、GB/T 4338-2006《金屬材料 高溫拉伸試驗方法》和GB/T 2039-1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》的相關技術要求，設計了鋁及鋁合金標準試棒高溫承載性能試驗系統，用于測試輸電線路懸垂線夾及耐張線夾類材料在 “機械負載+恒定高溫+長時間”條件下的強度損失，獲得高溫承載性能。高溫箱位于上下夾頭之間，高溫箱的上下兩面開有φ50mm的通孔，便于上下拉桿通過。試樣通過螺紋聯接的方式與上下拉桿配合，載荷通過上拉桿施加。

2 試驗系統的結構改進

2.1 載荷無法保持穩定

高溫承載性能的測試必須保證整個試驗過程中試樣承受的載荷穩定可靠，由于試驗需要長時間地將試樣穩定保持在一定的載荷，所以要求控制系統對載荷的控制能力較高。特別對于升溫階段，控制系統能對試驗系統的綜合熱膨脹做出迅捷、準確的補償動作，在短時間內保證載荷恢復到試驗要求水平。這就需要根據試驗所需的加載速度和保持載荷，對控制器的PID參數進行精確地調整。

無論在載荷提升階段還是在載荷保持階段，實際載荷都圍繞著目標值進行大幅波動，波動最大時偏離目標值約有20%。若采用此套PID參數，則試驗機無法穩定地保持試驗載荷。

結合試驗中的典型加載速度和載荷保持值，在試驗過程中對試驗機的PID參數進行了反復調整和匹配，最終得到了平穩的加載曲線和載荷保持曲線，達到了試驗要求。在調整到理想PID參數時的調試曲線，試驗機的實際載荷約在達到目標值的15s之后與目標值完全保持一致，其載荷波動小于10N。調試結果表明，測試系統采用了與其相適應的載荷動態保持系統后，可以獲得最為穩定的載荷保持效果，滿足對標準拉伸試棒的高溫承載性能試驗要求。

2.2 負荷傳感器工作溫度過高

本試驗系統的負荷傳感器采用S型拉力傳感器，傳感器作為測量負荷最為關鍵的器件，傳感器最高使用溫度為60℃。而為使結構緊湊，將傳感器的位置設置在試驗機的中橫梁上（上拉頭），由此造成傳感器距離高溫箱的通孔較接近，直接受到高溫的影響，從而影響傳感器的工作精度和可靠性。

如圖1（a）所示，當高溫箱內溫度為200℃時，通過紅外成像測溫儀的測試，傳感器的溫度達到了92℃（此時環境溫度僅為20℃），遠遠超過了其最高使用溫度。溫度過高原因主要有兩點：一是夾具與高溫箱上方的通孔之間有一定的間隙，熱量通過對流的方式傳遞至傳感器造成其溫度的升高；二是由于傳感器與夾具直接相連，而夾具下端又完全伸入高溫箱內，所以熱量通過熱傳導的方式傳遞至傳感器處造成其溫度的升高。針對上述兩個原因，采取了以下兩個措施。

（1）在夾具與高溫箱上方的通孔之間填塞了耐高溫棉，阻斷了熱對流的通道，通過紅外成像測溫儀的測試，此時傳感器部分的溫度已降到57℃（如圖1（b）所示，環境溫度為20℃，高溫箱內溫度為200℃）。

圖1 拉力傳感器的紅外成像照片

（2）設計了一種液冷散熱裝置，將此液冷散熱裝置安裝在傳感器與夾具之間，利用液體循環進行散熱，有效地降低了通過傳導方式傳遞至傳感器的熱量。

在同時采取上述兩種措施后，通過紅外成像測溫儀的測試，傳感器的溫度降為15℃，此溫度已經遠低于傳感器的最高使用溫度。若將高溫箱的溫度升至280℃（環境溫度仍為15℃），并保持此溫度5h之后，液冷裝置的溫度為16.0℃，而傳感器部分的溫度僅為15.2℃，仍保持一個較低的溫度。說明在加裝了液冷散熱裝置后，保證了由其采集的力值具有較高的準確性和可靠性。

同時借助了有限元分析軟件對散熱器的散熱效率進行了評估，根據試驗所用極限溫度，設計了散熱器的液體流道，估算了液體的流動速度，優化了散熱器的結構。最終在結構定型后，其仿真分析的基本參數設定為：散熱器材質為不銹鋼；環境溫度為22℃；高溫箱內溫度為200℃；周圍空氣為靜止；流道壁與冷卻液體對流換熱系數為2000W/（m2·℃），即冷卻液為較緩地流動。

在散熱器底部，溫度高達193℃，接近高溫箱內部溫度，而在散熱器頂部，即與傳感器相連接部分的溫度僅為25℃，散熱器的降溫效果非常理想。

3 試驗系統的運行

通過反復調試和改進，成功研制了一套“機械負載+恒定高溫+長時間”綜合智能試驗系統（WD/ G-20），由電子伺服萬能試驗機、熱風循環高溫箱、傳感器液冷散熱裝置、控制計算機及配套程序和鋁合金拉伸試棒專用夾具組成。

試驗系統的基本性能參數如下。

表1給出了WD/G-20高溫承載性能試驗系統的基本性能參數。

表1 高溫承載性能試驗系統的基本性能參數表

4 結語

研制的“20kN+300℃+400h”鋁及鋁合金標準試棒高溫承載性能試驗系統，具有精確的載荷動態保持系統和液體冷卻的傳感器散熱裝置，保證在長時間的高溫承載試驗過程中能夠安全穩定地工作，基本上覆蓋了所有類型鋁及鋁合金電力器材的高溫承載性能測試，獲得了輸電線路用鋁及鋁合金金具關于工作溫度、運行時間及機械載荷三者之間的連續對應關系。由此關系所建立的關于鋁及鋁合金電力金具在高溫下的承載性能和預計壽命數據庫，為電力部門提供了輸電線路電力金具的高溫運行設計參數，為生產企業提供了輸電線路電力金具的高溫試驗場所和試驗裝置。不僅提高了電網運行的安全性和可靠性，而且帶動了企業相關產業的發展，提升了相關產品的質量和產業層次。

[1]GB 50545-2010. 110～750kV架空輸電線路設計規范[S].中華人民共和國住房和城鄉建設部、中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.中國計劃出版社，2010.

[2]GB/T 228.1-2010，金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會.中國標準出版社，2010.

[3]GB/T 2317.1-2008 電力金具試驗方法 第1部分：機械試驗[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會.中國計劃出版社，2010.

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1671-0711（2016）12（上）-0091-02